Топологический расчет основных параметров фибры для получения пенобетона на основе бесцементного наноструктурированного вяжущего

М ашиночитаемая информация о CC- лицензии в метаданных статьи (HTML- код ):

, публикуется на условиях ...

настоящее время одним из распространенных способов повышения качества и эффективности строительных материалов является дисперсное армирование, что позволяет существенно повысить прочностные и деформативные характеристики изделий и конструкций, увеличивая срок эксплуатации зданий и сооружений [1–8]. Появляется необходимость определения и анализа размерных, морфологических и структурных характеристик материалов [9–11].

Дисперсное армирование представляет собой введение в систему дискретных волокон (фибр) различного происхождения путем равномерного распределения по объему бетонной матрицы. Существенное влияние на характеристики композита при дисперсном армировании

оказывают тип используемых вяжущего и волокна, а также его геометрические параметры (диаметр и длина волокна) и расход. В связи с этим существуют различные методы расчета по определению геометрических параметров и норм расхода фибры, при котором достигается оптимальное насыщение и равномерное распределение по объему композита. К таким методам относится математический аппарат структурной топологии, позволяющий определять геометрические свойства и уровень организации структур в дискретных системах [12–16]. Определение топологических структурных факторов возможно за счет выявления математических зависимостей геометрических параметров волокнистой структуры от пористости и размера пор ячеистобетонных масс на примере пенобетона на основе бесцементного наноструктуриро-ванного вяжущего (НВ) [17–23].

Существует понятие критической длины волокна l_кр , представляющее собой наименьшее значение длины, при котором каждое отдельное волокно в полной или наивысшей мере «работает» в композите. На поверхности раздела волокна и пластической матрицы материала создаются касательные напряжения, характеризующие степень связи между ними. Оценка происходит по методике выдергивания одиночного волокна из структуры композита. При длине волокна меньше критической в процессе разрушения композиции происходит вытягивание волокон из матрицы, то есть композиция разрушается на границе «волокно – матрица» [24]. При длине волокна l > l_кр происходит разрушение самих волокон за счет полной реализации их прочности. Длина отрезков волокна l = l_кр реализует в композите лишь 50% полезной прочности волокна. Для достижения 95% прочности волокнистых составляющих композита требуется соблюдение условия l = 10· l_кр . Критическую длину волокна выражают через его диаметр l_кр ≈ 10· d_в [25].

Увеличение длины волокна, в сравнении с критической, способствует упрочнению композиции, но в то же время большой расход приводит к неоднородному распределению фибры и образованию комковатых включений, что затрудняет технологический процесс и ухудшает качество готовых изделий. В связи с этим проводятся расчеты минимальной длины и расхода фибрового волокна.

Начальным выражением для определения критической длины волокна принято уравнение для наименьшего линейного размера дисперсных волокон при отсутствии пристеночного влияния [25]:

l = 60,38 η ₁ ³ d = 60,38 η _cd ,

где η _с – критическая плотность упаковки дискретного волокна; d – диаметр волокна: для тонкодисперсных и дискретных волокнистых материалов η _c = η ₁ ^3...10/3 , η ₁ – плотность упаковки в уплотненном состоянии.

Для адекватного сравнения эффективности использования микроармирующих компонентов были выбраны фиброволокна с различными геометрическими параметрами. Экспериментальным путем определялась плотность упаковки четырех видов фибры органического и неорганического составов: полимерной (волокно строительное микроармирующее ВСМ) и базальтовой фибры длиной 6 и 12 мм.

Уточнение диаметра волокон осуществлялось с помощью микроструктурных исследований, выполненных на сканирующем электронном микроскопе Mira 3 FesSem (рис.). Волокно типа ВСМ имеет средний диаметр 25 мкм, базальтовая фибра – 19 мкм. Расхождение в значениях диаметра каждого отдельного волокна обоих типов невелико и составляет узкий диапазон колебаний до 10 мкм. При этом колебания диаметра волокна для полимерной фибры проявляются в меньшей мере.

Рис. Микроструктура волокон фибры различных типов: а) – ВСМ, б) – базальтовая фибра

Таблица 1

Данные по определению плотности упаковки разных видов фибры

Параметры	Волокно строительное микроармирующее (ВСМ-6)	Волокно строительное микроармирующее (ВСМ-12)	Базальтовая фибра-6	Базальтовая фибра-12
Насыпная плотность в рыхлом слое γ , г/см3	0,171	0,156	0,436	0,405
Насыпная плотность в уплотненном слое γ 1, г/см3	0,282	0,243	0,563	0,526
Плотность упаковки в рыхлом слое η	0,190	0,173	0,168	0,156
Плотность упаковки в уплотненном слое η 1	0,313	0,270	0,216	0,202
Критическая плотность упаковки η с	0,031	0,020	0,010	0,008

Плотность упаковки каждого волокна определялась экспериментально при условии рыхлого ( η ) и уплотненного ( η ₁ ) состояния. Данный показатель представляет собой отношение насыпной плотности при различных состояниях уплотнения к истинной плотности ( ρ , г/см ³ ).

Под насыпной плотностью в рыхлом состоянии ( γ , г/см ³ ) следует понимать количество помещенного волокна в свободно засыпанном состоянии в емкость заранее известного объема. После заполнения емкости определялась масса волокнистого материала с точностью до 0,01 г.

Определение насыпной плотности в уплотненном состоянии ( γ ₁ , г/см ³ ) осуществлялось аналогичным образом. Уплотнение реализуется путем встряхивания либо дозированного увлажнения, которое продолжалось до полного заполнения уплотненным волокном измерительной емкости (табл. 1).

Критическая плотность упаковки определялась по формуле:

η _c = η ₁ ³ .

При расчете критической длины и расхода волокна следует учитывать характер распределения фибры. В данном случае производились расчеты для хаотичного распределения, при котором исключается образование локальных агрегаций однонаправленного расположения волокон и комковых включений.

Определение критической длины и расхода волокна с достаточной для практики погрешностью производилось в соответствии с двумя зависимостями: от пористости и размера пор [25].

Определение длины и расхода дисперсного волокна в зависимости от пористости

Согласно преобразованию выражения (1) критическая длина волокна, то есть минимальная длина, обеспечивающая армирующий эффект, вычисляется по уравнению:

где η _c – критическая плотность упаковки волокон (табл. 1); ε – пористость пенобетона; d_в – диаметр волокна; n – показатель ослабления касательных напряжений поризацией на отрезках волокон в поризованных бетонах, n = 1 … ε : n = ε – для критической длины волокна, n = 1 – для рациональной длины волокна; m – коэффициент, учитывающий характер распределения волокна: при смешанном неоднородном распределении – m = ε , при хаотичном распределении фибры – m = 1.

Для пенобетонных материалов характерна пористость 80–85%. В связи с этим для топологического расчета было выбрано значение пористости ε = 0,8.

Общий вид выражения по определению долевого минимального расхода дисперсного волокна представляет собой:

Определение длины и расхода дисперсного волокна в зависимости от размера пор

Средний размер пор материалов ячеистой структуры составляет 0,5–1 мм [25]. При расчетах следует учитывать, что длина волокна больше размера пор.

Выражение для критической длины волокна при армировании по- ризованных масс в зависимости от среднего размера пор имеет вид:

Расход дисперсного волокна определяется по формуле:

Путем подстановки выражения (6) получена минимальная объемная доля расхода волокна при армировании ячеистых масс:

В ходе преобразований и расчетов определены значения критической длины фибры и её расхода при использовании в поризованных массах и в технологии получения ячеистых композитов на основе на-ноструктурированного вяжущего (табл. 2).

В производстве ячеистых бетонов существует важная проблема, заключающаяся в получении пеномасс с полидисперными порами различного размера в заданном соотношении по объему и повышении их структурной стойкости путем микроармирования. В этом состоит функциональная задача армирования. Результаты расчетов позволили определить эффективные параметры армирования и показали, что значение критической длины волокна базальтовой фибры и ВСМ – менее 1 мм. Это предельно допустимые значения длины волокна, ниже которых волокно не оказывает положительного влияния на характеристики композита.

Минимальный расход при пористости композита ε = 0,8 для полимерной фибры ВСМ составляет 0,19–0,24 масс. % от смеси композита.

Таблица 2

Критическая длина и минимальный расход фибры различных видов

Параметры	Волокно строительное микроармирующее (ВСМ-6)	Волокно строительное микроармирующее (ВСМ-12)	Базальтовая фибра-6	Базальтовая фибра-12
В зависимости от пористости при ε = 0,8
Критическая длина волокна lкр , мм	0,35	0,22	0,09	0,07
Минимальный расход волокна ϕ , масс. %	0,24	0,19	0,35	0,28
В зависимости от размера пор (0,5 мм)
Критическая длина волокна lкр , мм	1,01	0,74	0,48	0,42
Минимальный расход волокна ϕ , масс. %	0,51	0,31	0,39	0,28

Расход базальтовой фибры – 0,28–0,35 масс. %. При этом соблюдается условие, согласно которому с увеличением длины волокна уменьшается расход [25].

Количественные рекомендации по использованию фибры в зависимости от размера пор имеют значения от 0,28 до 0,51 масс. % в зависимости от длины.

Значительное повышение нормы расхода дисперсного волокна приводит не только к неоправданному повышению себестоимости, но и к образованию комковых включений, «ежей», что, в свою очередь, оказывает негативное влияние на прочностные характеристики композита.

На выбор параметров и расхода микроармирующего компонента могут оказывать влияние различные факторы, а именно проектная плотность и пористость материала, способ введения волокна, непостоянство значений плотности упаковки. Выполненный расчет топологических факторов и их анализ позволяют представить рекомендации по использованию волокнистых дисперсных материалов в качестве микроармирующего компонента при использовании в ячеистых структурах.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

В результате проведения расчета теоретически установлены критические длины фибр природного и искусственного происхождения, а также их минимально допустимый расход при использовании в ячеистых системах. Наименьшая эффективная длина волокна при условии равномерного распределения по всему объему композита имеет значение менее 1 мм, минимальный расход волокна в массовом отношении от общего количества смеси составляет диапазон от 0,2 до 0,5 масс. %. Проведение расчета позволило конкретизировать дозировку по видам фибры, но в то же время, для подбора оптимального значения параметров волокна и его расхода требуется проведение экспериментальных исследований.

У важаемые коллеги !

П ри использовании материала данной статьи просим делать библиографическую ссылку на неё :

D ear colleagues !

T he reference to this paper has the following citation format :

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, договор № 14-41-08024, а также в рамках реализации программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова.